Rapid Prototyping: Von CAD zur Kleinserie Der kürzeste Weg zählt - KEM

Rapid Prototyping: Von CAD zur Kleinserie

Der kürzeste Weg zählt

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Immer haufiger wird auf die modernen Rapid Prototyping (RP) und Rapid Tooling (RT) Technologien zurückgegriffen, um immer früher immer bessere Produkte für immer weniger Kosten auf den Markt zu bringen. Nur so kann man sich langfristig im Wettbewerb behaupten. Aber welche Verfahren wendet man an?

Die Autorin Elke Fritz ist Leiterin Presse- und Öffentlichkeitsarbeit bei EOS GmbH, Planegg/München

Laser-Sinter-Verfahren
Durch die Vielfalt der einsetzbaren Werkstoffe hat sich dabei das Laser-Sintern als das Verfahren mit dem breitesten Anwendungsspektrum etabliert. Die EOS GmbH Electro Optical Systems in Planegg bei München bietet Laser-Sinter-Systeme an, die jeweils für wichtige industrielle Anwendungen optimiert sind und auf Basis von insgesamt neun verschiedenen Werkstoffen arbeiten. Die Laser-Sinter-Technologien verkürzen die Produktentwicklung von Metall- und Kunststoffteilen in jeder Phase. Sie erzeugen in kürzester Zeit Designmodelle und Funktionsprototypen aus Kunststoff, Spritzgußwerkzeuge aus Metall sowie Gußformen aus Gießereisand. Jeweils direkt aus 3D-CAD-Daten, vollautomatisch und Schicht für Schicht.
Kunststoff-Laser-Sintern
Die gesinterten Kunststoffbauteile eignen sich nicht nur als Anschauungsmodelle für De-signüberprüfungen, sondern aufgrund ihrer hervorragenden physikalischen und mechanischen Eigenschaften als Funktionsprototypen und Urmodelle für Feinguß und Vakuumguß. Ausgangsmaterialien sind feingemahlene Pulver von bestimmten technischen Thermoplasten, die schichtweise aufgetragen und per Laserstrahl ausgehärtet werden. Während Polyamidpulver für Design- und Funktionsprototypen sowie für Urmodelle für anschließenden Vakuumguß zum Einsatz kommt, eignet sich Polystyrol hervorragend für die Fertigung von Urmodellen für den Feinguß.
Feinpolyamide für mechanisch belastbare Prototypen
Mit den neu eingeführten Feinpolyamid PA 2200 und glasgefüllten Feinpolyamid PA 3200 GF erzeugt die Eosint P Laser-Sinter-Anlage schnell und kostengünstig mechanisch belastbare Kunststoffprototypen mit extrem glatten Oberflächen, die sich einfach und vielseitig weiterverarbeiten lassen.
Für die Erzeugung von Urmodellen für den Feinguß verwendet die Eosint P 350 den Werkstoff Polystyrol. Durch die relativ hohe Schmelzviskosität dieses Werkstoffes fließen die Pulverpartikel bei der Erwärmung durch den Laser nicht vollständig ineinander, sondern versintern nur an den Kontaktstellen. Die Oberflächenporen werden durch Tauchen in ein Wachsbad vor dem Guß verschlossen. Der größte Teil der Porosität der Pulverschüttung bleibt damit im Bauteil erhalten. Dadurch wird verhindert, daß durch die thermische Ausdehnung beim Ausbrennen die Form gesprengt wird. Bei der Verbrennung entsteht keine Restasche.
DirectTool: Spritzgußwerkzeuge direkt aus Metall
Beim DirectTool werden im Direkten Metall-Laser-Sinter-Verfahren (DMLS) speziell entwickelte Metallpulver zur Herstellung von Spritzgußwerkzeugen eingesetzt. Es handelt sich dabei um eine von Electrolux Rapid Development, Finnland patentierte Bronze-Nickel-Pulvermischung. Die aus den CAD-Daten direkt hergestellten Werkzeuge dienen der Erzeugung von echten Prototypen, die in der produktionsnahen Phase der Entwicklung benötigt werden. Die Eigenschaften der echten Prototypen, in der Fachsprache technische Prototypen genannt, müssen mit den späteren Eigenschaften des Serienspritzlings exakt übereinstimmen. Die Herstellung dieser Teile kann daher nur in Spritzgußformen erfolgen, die mit den Standard-Spritzgußparametern belastbar sind und weitgehend mit den thermischen Eigenschaften des späteren Stahlwerkzeuges übereinstimmen. Bei einfachen Geometrien und Funktionseinheiten wird oft sofort das Serien-Stahlwerkzeug gefertigt und die darin produzierte Nullserie für die durchzuführenden Tests verwendet. Es wird dabei jedoch bewußt in Kauf genommen, daß mögliche Fehler im Spritzgußteil zu zeit- und kostenintensiven Änderungen im Stahlwerkzeug führen, die den Serienstart erheblich verzögern.
Mit DirectTool zum Prototypenwerkzeug
Bei höherer Komplexität der Baugruppen ist die Herstellung eines Prototypenwerkzeuges sinnvoll. Parallel zur Prototypentestphase kann eine Konzeptionierung und Planung des Serienwerkzeuges stattfinden. Dabei können die Erfahrungen im Aufbau des Prototypenwerkzeuges eingebracht und hier schon im Vorfeld mögliche Fehler vermieden werden. Mit der Freigabe des technischen Prototypen wird dann der endgültige Aufbau des Serienwerkzeuges abgeschlossen.
Eine Zeit- und Kostenreduzierung wird also im wesentlichen durch eine Parallelisierung der Arbeitsabläufe und eine sehr frühe Verfügbarkeit von technischen Prototypen für Tests erzielt.
Im konventionellen Werkzeugbau werden oft auch Aluminiumwerkzeuge als Prototypwerkzeuge verwendet, deren Herstellung, vor allem bei der Fräsbearbeitung, im Vergleich zu einem Stahlwerkzeug aufgrund der geringeren Materialfestigkeiten und -härten schneller und günstiger sein kann. Müssen jedoch auch Elektroden für einen Senkerodierprozeß gefräst werden, schwindet dieser Zeitvorteil sehr schnell. Zeitaufwendig ist hier immer noch die Fräsbahngenerierung sowohl der Elektroden als auch der eigentlichen Geometrie.
Mit DirectTool kann die Prozeßkette von der CAD-Konstruktion des Werkzeuges bis zum spritzgegossenen Prototypen im Serienmaterial wesentlich reduziert werden.
Nach der Konstruktion der Einsätze werden die Werkzeuge direkt aus den CAD-Datensätzen generiert. Das Ausgangsdatenformat des CAD-Systems sind triangulierte Oberflächeninformationen im Standard-STL-Format. Hieraus werden Schichtdaten erzeugt, aus denen mittels eines Laserstrahls aus Metallpulver schichtweise die Werkzeugeinsätze aufgebaut werden. Der Prozeß läuft innerhalb von Stunden, abhängig vom Bauteilvolumen, vollautomatisch ab. Dreidimensionale Problemgeometrien, wie tiefe Nuten, Freiformflächen und dreidimensional verlaufende Kühlkanäle lassen sich durch die Reduzierung auf eine zweidimensionale Belichtung der einzelnen Schichten problemlos realisieren.
Die Komplexität der Werkzeuggeometrie hat keinen Einfluß auf die Bauzeit.
In zwei Wochen 15 000 Kunststoffteile
Zur Herstellung einer Staubsaugerdüse wurden die sieben Einsätze des Spritzgußwerkzeuges in ca. 20h lasergesintert. Die verspringenden Trennflächen der Einsätze wurden in 38h drahterodiert, die 3D-Freiform-Oberflächen manuell in 23h poliert. Nach zweiwöchiger Durchlaufzeit war das komplette Werkzeug fertiggestellt. Es wurden ca. 15.000 PA6+35%GF-Teile ohne meßbaren Werkzeugverschleiß hergestellt. Die mechanischen Eigenschaften des lasergesinterten Werkzeuges sind selbst für abrasive Werkstoffe absolut ausreichend.
EOS ist Aussteller auf der K ’98 vom 22.bis 29.10.1998 in Düsseldorf, Stand 2 B 33, Halle 2
Internet
Mit doppeltem Laser und Scanner
Zur Erstellung großer Bauvolumen z.B. für Kfz-Zulieferer wurde die EOSINT S 700 entwickelt – weltweit einziges RP-System, in dem zwei Laser und Scanner parallel laufen.
n Bearbeitbare Fläche: 720 x 380 mm, max. Bauteilhöhe: 400 mm.
n Im gesamten Baufeld lassen sich mehrere Bauteile/Formen parallel produzieren
n Hohe Baugeschwindigkeit von 1000 cm3 /h möglich
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